北环隧道第三系砂岩复杂水稳特性研究

2015-02-11朱容辰中铁第一勘察设计院集团有限公司陕西西安710043StudyonComplexWaterStabilityofThirdSeriesSandstoneofBeihuanTunnelZHURongchen

铁道勘察 2015年6期

朱容辰(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安　710043)Study on Complex Water Stability of Third Series Sandstone of Beihuan TunnelZHU Rongchen

北环隧道第三系砂岩复杂水稳特性研究

朱容辰(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安710043)Study on Complex Water Stability of Third Series Sandstone of Beihuan TunnelZHU Rongchen

摘要兰州地区分布的第三系含水砂岩具有异常复杂的工程特性，北环隧道洞身将穿越该套地层。介绍北环隧道的地层岩性、地质构造、水文地质特征、岩体物理力学参数，并取岩样做水稳特性试验。在综合参考各试验数据的情况下，分析控制隧道地质条件的工程地质问题，总结了北环隧道第三系砂岩的水稳特征。

关键词北环隧道第三系砂岩水稳特性失稳机理

北环隧道位于兰州市安宁区沙井驿镇及皋兰县九合镇。隧道起止里程HK0+690～HK9+225，隧道长8 535 m，为双线隧道，隧道洞身最大埋深220 m。地貌上属低中山区，地面高程一般1 598～1 860 m，地形起伏较大，自然坡度约20°～45°，地表沟壑纵横，沟谷多呈“V”字形。山顶平缓处及缓坡多为第四系上更新统风积黄土覆盖，多基岩裸露，植被稀疏。第三系泥岩夹砂岩段坡面较陡，山顶浑圆；砂岩段地貌随着岩体工程性质的变化，由陡崖逐渐过渡为浑圆的山丘(见图1)。

1地层岩性

根据区域地质资料[1-3]，隧道洞身通过的地层主要为第三系中新统泥岩夹砂岩、砂岩。本套地层属于上第三系中新统咸水河组，从时代成因及岩性特征可分为上、中、下三段[4]。上段(HK0+690～HK1+050)主要以泥岩为主，泥岩占本段地层厚度的80%左右，上段地层的下部为一层厚约5～8 m的青灰色砂岩，砂岩结构较疏松。中段(HK1+050～HK4+950)为泥岩夹砂岩，泥岩约占本套地层的60%左右，多为互层状的泥岩、砂岩；本段地层底部为一层细砾岩，胶结较好，较坚硬。下段(HK4+950～HK9+225)为砂岩，本套地层的上部偶夹有0.5～2 m厚的泥岩，岩体为泥质胶结，极少部分为钙质胶结，下部以纯砂岩为主，胶结较差，遇水结构易破坏，工程地质性质差。

2地质构造

该隧道在构造上位于祁连褶皱系的中祁连隆起带，处于北北西、北西西、北东—北东东构造交汇部位。隧道通过区的构造主要为李麻砂沟向斜，位于沙井驿与哈家嘴之间，轴向北北西，长约25 km，宽约10 km，向北开阔。两翼倾角较缓，一般为15°～35°。隧道通过区位于李麻砂沟向斜构造的西翼，为单斜地层，岩层产状倾向东，地质构造相对简单。

3水文地质特征

3.1　地表水和地下水类型

隧道区地表水较发育，除进口小沟谷无地表水外，较大的李麻沙沟、拐子沟、八面沟、老羊沟及出口的大拉拉沟均有多处水塘和少量地表水流，地下水类型可分为黄土孔隙裂隙水和基岩裂隙水。

(1)黄土孔隙裂隙水

黄土孔隙裂隙水主要赋存于上更新统砂质黄土中，主要分布于山间洼地，结构疏松，垂直节理发育，有利于大气降水的入渗。黄土潜水多不连续分布，没有统一的潜水面，且季节性变化大，第四系孔隙潜水水位埋藏变化大，富水性较差。

(2)基岩孔(裂)隙水

该隧道洞身通过区地下水主要为基岩孔(裂)隙水，赋存于砂岩、泥岩夹砂岩地层中。泥岩结构致密，产状较平缓，节理裂隙不发育，渗透性差，不利于地下水的储存和运移，仅在局部孔隙发育地段含少量地下水；砂岩中孔(裂)隙水由于成岩程度或风化带厚度不一，节理裂隙发育程度等因素，变幅较大。本段地下水为孔(裂)隙潜水，埋深一般为42～86 m，沟谷区埋深较浅，一般在5～14 m，季节性变化较明显。地下水的富集受地层岩性、地貌形态影响较为明显，岩性含泥质多，胶结性好，地下水贫乏，反之地下水富集；受岩性及补给条件限制，该地区水量一般不大，但沟谷区地下水相对富集。

隧道区地下水主要接受大气降水补给，地下水从山顶向沟谷自高向低径流汇集，多在深切沟谷处以泉、面状渗水或蒸发的形式排泄。

3.2　地下水特征

为查明第三系砂岩的含水特性，隧道区共布钻孔11个。11个钻孔中除DXSZ-7未揭露到地下水外，其余钻孔均揭露到地下水，并对有水钻孔进行了提水试验。由于钻孔中的地下水水量小，只能选择其中水量相对较大的4个钻孔进行水文地质计算(见表1)。

试验成果数据及这4个钻孔所处的地貌位置说明第三系砂岩具有弱富水性。在冲沟、地貌低洼带，地表有灌溉农田下部的第三系砂岩富水性相对其它地段要好。

3.3　水文地质评价

第三系砂岩成岩程度较差，遇地下水易软化或崩解。以下对隧道洞身通过砂岩中地下水对隧道施工的影响进行评价。

(1)HK4+950～HK7+295段：洞身通过岩性为砂岩，局部夹泥岩，胶结较好(多为泥、钙质胶结)，黏粒含量较高，渗透系数相对较小，砂岩中的地下水主要以砂岩裂隙、层间水为主。本段施做4个钻孔，水位埋深一般在40～86 m，从水位分布高程分析，地下水分布具有不均一性。在同一沟槽，地下水的分布、埋藏也存在明显差异，其补给来源主要为大气降水，大气降水通过节理裂隙、地表汇水条件较好的沟谷下渗。由于该段砂岩中的地下水的富集受节理裂隙的控制，故地下水对砂岩工程性质的影响在节理较发育段或地表汇水条件较好的沟谷浅埋段较为明显。

(2)HK7+295～HK7+600段：该段位于冲沟浅埋段，岩性为砂岩，局部夹泥，胶结差，黏粒含量低，渗透系数相对较大。砂岩中的地下水主要以砂岩孔(裂)隙水为主，水位埋深一般在4～14 m，其补给来源主要为大气降水和沟谷中第四系孔隙水双重补给。大气降水、第四系孔隙水通过砂岩节理裂隙下渗，在风化带和节理带中富集，对砂岩工程性质有很大影响。

(3)HK7+600～HK8+640段：洞身通过岩性为砂岩，泥质弱胶结，黏粒含量较低，渗透系数一般。砂岩中的地下水主要以砂岩裂隙水为主，水位埋深在34 m左右，其补给来源主要为大气降水。该段地形陡峻，不利与大气降水通过节理裂隙下渗补给地下水。地表灌溉农田的灌溉水也对其下部第三系砂岩中的地下水有一定补给。该段砂岩中地下水的富集受节理裂隙控制，地下水对砂岩工程性质的影响主要在节理密集带段、地表人工灌溉用水活动区。

(4)HK8+640～HK9+225段：洞身通过岩性为砂岩，泥质弱胶结，黏粒含量低，渗透系数相对高。砂岩中的地下水主要以砂岩裂隙水为主，水位埋深一般在42.9～50.3 m，其补给来源主要为大气降水。该段地下水水位位于隧道洞身以下，但季节性水位波动可能对砂岩工程性质产生影响。

4物理力学特征

勘察阶段，通过钻探取样试验，对北环隧道HK4+976～HK9+225段第三系砂岩的物理力学参数进行了试验[5-6]。

4.1　密度

HK4+950～HK7+400段砂岩：天然密度为2.25～2.54 g/cm3，平均为2.25 g/cm3；颗粒密度为2.61～2.69 g/cm3，平均为2.64 g/cm3；HK7+400～HK9+225段砂岩：天然密度为1.86～2.34 g/cm3，平均为2.18 g/cm3；颗粒密度为2.60～2.64 g/cm3，平均为2.61 g/cm3。

4.2　含水率

HK4+950～HK7+400段砂岩：含水率(地下水位以下)为5.1%～6.2%之间，平均为5.4%，数值稳定。HK7+400～HK9+225段砂岩：含水率为为5.6%～15.2%，平均为11.2%。HK4+950～HK7+400段砂岩：含水率低于HK7+400～HK9+225段。

4.3　黏粒含量

HK4+950～HK7+400段砂岩：黏粒含量为1.3%～1.7%，平均为1.5%。HK7+400～HK9+225段砂岩：黏粒含量为1.0%～1.7%，平均为1.5%。两个段落砂岩黏粒含量基本一致。

4.4　渗透系数

HK4+950～HK7+400段砂岩：渗透系数为1.01×10-4～6.49×10-3cm/s。平均为2.01×10-3cm/s，HK7+400～HK9+225段砂岩：渗透系数为3.72×10-4～6.64×10-3cm/s，平均为1.74×10-3cm/s，两个段落砂岩渗透系数均较低。

4.5　耐崩解系数

HK4+950～HK7+400段砂岩耐崩解指数为5.7%～49.4%，平均为30.1%；HK7+400～HK9+225砂岩耐崩解指数为3.6%～40%，平均为12.4%。HK4+950～HK7+400段砂岩耐崩解指数高于HK7+400～HK9+225段。

4.6　主要力学性质

HK4+950～HK7+400段砂岩抗压强度为1.11～7.44 MPa，平均为4.15 MPa；HK7+400～HK9+225砂岩抗压强度为0.15～2.2 MPa，平均为0.66 MPa。HK4+950～HK7+400段砂岩抗压强度高于HK7+400～HK9+225段。

4.7　水稳特性试验

为了解北环隧道砂岩的水稳特性，选取不同钻孔洞身附近的岩芯做简易浸水试验，试验结果见表2。

5控制隧道地质条件的工程地质问题

影响隧道围岩稳定性的地质元素主要有岩石性质、地下水、岩体结构特征及岩体中初始应力特征等[7-9]。

5.1　岩性

隧道穿越的第三系砂岩，具结构疏松、胶结差、强度低、黏粒含量低的特点，当隧道洞身位于地下水位以下时，围岩的工程性质急剧恶化，易发生涌水、涌砂，导致施工困难等地质问题。

5.2　地下水

地下水对第三系砂岩的稳定性起控制性作用。当第三系砂岩含水量低且位于地下水位以下时，工程地质条件一般；当砂岩含水量高且位于地下水位以上时，工程地质性质急剧恶化。

隧道穿越的第三系咸水河组下段的砂岩，与兰渝铁路桃树坪及胡麻岭隧道穿越的第三系砂岩属同一套地层。桃树坪、胡麻岭隧道在穿越第三系砂岩时，由于其水稳性差[10]，施工极为困难。

6结论

(1)该套第三系砂岩主要由粉细砂粒及中粒组成，局部夹有泥岩，黏粒含量较高，胶结较好，工程性质较好；纯砂岩处的黏粒含量低，胶结程度差，工程性质较差[10]。由简易浸水试验可知，部分钻孔砂岩试样浸水后，表层迅速解体、开裂，周围沉淀细砂，30 min时完全崩解，与桃树坪隧道同一套砂岩的变形非常相似，均表现为含水率升高时，砂岩易发生塑性变形或流变。含水率达到极限时，其稳定性降低，围岩将发生变形、失稳；当低于围岩塑性变形的含水率时，围岩基本稳定，表明含水率的高低对围岩稳定性有显著影响。

(2)该套砂岩的成分组成、胶结、含水率、渗透系数及耐崩解指数均呈各向异性状态，具有不均一性，不同深度内，岩芯软硬程度、胶结程度、完整程度均不一致。受水浸泡及外部条件的影响，围岩稳定性有较大差异，不确定性较强。

(3)黏粒含量较高的砂岩胶结程度较好，渗透系数相对较低，抗压强度相对较高，抗水浸泡性较好，稳定性相对较好。

(4)不同区域的第三系砂岩性质稍有不同，其物质组成、胶结程度、水稳特性均有区别；同一区域的砂岩其物质组成、胶结程度、水稳特性亦有区别，差异比较大。北环隧道穿越的砂岩可分为上部(HK4+950～HK7+450)、下部(HK7+400～HK9+255)，其工程性质有所差异。上部砂岩具有胶结较好，夹少量泥岩，岩石强度较高，遇水不易软化、砂化的特点；下部砂岩胶结差，黏粒含量低，岩石强度也低，遇水极易软化、砂化。总体上是上部好于下部，软硬交互分布。

(5)隧道穿越第三系砂岩时施工风险较大，当线路以隧道形式穿越时，轨面高程应尽量位于地下水位以上，且选择砂岩含水率低的段落通过。为降低风险，隧道通过段落越短越好[11]。

参考文献

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[2]黄德征，翟玉沛，曹志霖，等.中华人民共和国1∶20万地质图兰州幅(J-48-32)[R].兰州：地质部甘肃省地质局第一区域地质测量队，1965∶15-17．

[3]地质部甘肃地质局.中华人民共和国区域地质图说明书(1∶20 000兰州副)[R].兰州：地质部甘肃地质局，1965：15-16

[4]中铁第一勘察设计院集团有限公司.新建宝鸡至兰州客运专线初步设计第四篇(地质)[R].西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2009

[5]《工程地质手册》编委会.工程地质手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2007

[6]GB/T50123—1999土工试验方法标准[S]

[7]中华人民共和国铁道部.TB 10012—2007铁道工程地质勘察规范[S].北京：中国铁道出版社，2007

[8]GB50021—2001岩土工程勘察规范[S]

[9]中铁第一勘察设计院集团有限公司.第三系砂岩复杂的水稳特性地质专题研究报告[R].西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2011

[10]铁道第一勘测设计院.铁路工程地质手册[M].北京：中国铁道出版社，1999